欧洲规范铁路桥梁动力分析竖向荷载取值研究

为有助于推动海外工程顺利实施,解决海外工程结构设计中的部分问题,开展国外标准规范系统研究是十分必要的,进而吸收与借鉴国际标准的先进经验,同时增强国际竞争力。针对铁路桥梁动力分析中欧洲规范竖向荷载的相关规定进行了详细研究,探讨分析了其规定差异性,提出了对国际工程设计咨询具有指导价值的结论。有助于解决涉外工程结构分析中荷载计算问题,有利于我国结构设计行业对外交流,为进一步推动海外工程的顺利实施奠定基础。

跨海铁路桥梁深水基础冲刷数值模拟

拟建头门港铁路支线(头门港站—头门港东站)二期工程位于浙江省东部海域,跨海铁路头门港大桥所在海域潮汐现象显著,波高较大,基础冲刷明显。首先选择7个典型桥墩,分别采用经验公式(孙志林公式和韩海骞公式)、JTG C30—2015《公路工程水文勘测设计规范》公式、美国HEC-18公式及数值模拟方法计算桥墩冲刷深度,基于百年一遇水位采用Das公式计算冲刷坑范围。然后采用半经验半理论的冲淤计算公式,计算冲淤平衡后水深变化量。通过与理论公式计算的局部冲刷深度对比,验证了数值模拟方法用于桥墩局部冲刷分析的可行性。结果表明:不管桥墩承台顺桥向尺寸如何变化,孙志林公式和HEC-18公式计算的冲刷深度偏大,韩海骞公式计算值最小,因此桥梁设计时宜采用规范公式计算冲刷深度;总体上桥墩承台顺桥向尺寸越大,冲刷坑面积越大;桥梁建成后水深下降了0.3~0.7 m,一般冲刷深度在3~5 cm,故分析该桥址处局部冲刷时可不考虑一般冲刷的影响;承台顺桥向尺寸在8~11 m时,与孙志林公式计算的局部冲刷深度相比,数值模拟值和规范公式计算值更接近,可采用数值模拟方法进行桥墩局部冲刷分析。

小半径隧道盾构施工对铁路桥梁的影响

随着城市轨道交通线网的完善,单一的直线型隧道已不能满足需求,而新建隧道也不可避免地近接建构筑物,势必危及建构筑物,甚至引发严重的安全问题。基于郑州地区某工程,运用有限元软件Midas GTS NX进行数值模拟,研究小半径隧道盾构施工期间隔离桩防护措施的作用效果,并结合监测数据验证数值计算的准确性。研究结果表明:1)在无隔离桩防护措施下,小半径盾构隧道施工会引起地表横向沉降变形,危及铁路线路运营安全;2)在隔离桩防护措施下,小半径盾构隧道施工对铁路桥梁的影响在可控范围内,能有效降低盾构隧道施工引起的铁路桥梁变形及其附加内力,有利于铁路线路的运营安全;3)监测数据与数值计算的对比表明,隔离桩防护措施对于保障铁路线路的运营安全是有效的。本文研究结果可为盾构隧道安全穿越铁路桥梁施工提供重要的工程实用价值。

大跨度铁路桥附属构件对不同宽高比矩形断面涡振性能的影响

在已建成的大跨度鳊鱼洲长江大桥原设计宽高比为6.7∶1的四线铁路桥矩形箱型主梁断面的基础上,通过调整断面宽高比,设计宽高比为4∶1的二线铁路和宽高比为9∶1的六线铁路桥矩形箱梁断面。通过节段模型风洞试验,在0°,±3°和±5°风攻角的均匀来流下,对以上3种常用二线、四线和六线铁路桥矩形箱梁断面与对应相同宽高比纯矩形断面之间的涡振特性关系,以及铁路桥附属构件对不同宽高比矩形断面涡振性能的影响进行研究。结果表明:在宽高比分别为4∶1和6.7∶1的矩形断面上布置铁路桥附属构件能增大断面在负风攻角下的涡振振幅,在-5°风攻角下竖向涡振振幅增大率高达277.5%,但对正风攻角下的涡振响应起到一定的抑制作用,而在宽高比为9∶1的矩形断面布置六线铁路桥附属构件则能明显增大该断面在各风攻角下的涡振振幅,其扭转涡振振幅增大率均在48.3%以上;铁路桥附属构件对矩形断面涡振性能的降低作用随着断面宽高比的增大而提升,针对气动外形较钝的二线和四线铁路桥箱梁,可参考相似宽高比矩形断面涡振特性,并重点考察箱梁在负风攻角下的涡振响应,而针对宽高比较大的六线铁路桥箱梁,由于附属构件影响较大,参考相似宽高比矩形断面涡振特性的意义较小,均应详细研究其在各风攻角下的涡振性能。

重载铁路桥梁体外预应力筋加固性能研究

运营提载会导致重载铁路桥梁损伤累积和刚度退化加剧,对重载铁路预应力混凝土桥梁进行加固可以改善桥梁的受力状况,提高桥梁承载能力。为了研究重载铁路桥梁体外预应力筋加固的性能,分别制作重载铁路24 m超低高度预应力混凝土梁的未加固足尺试验模型与体外预应力筋加固足尺试验模型,并开展200万次疲劳试验与疲劳后静力试验。建立未加固预应力混凝土梁与体外预应力筋加固预应力混凝土梁的精细化有限元模型,通过试验与有限元分析,研究加固前后重载铁路预应力混凝土梁的静力与疲劳性能,揭示加固前后梁体挠度和应力变化规律,并分析不同轴重列车作用下加固预应力混凝土梁的力学性能。研究结果表明:重载铁路桥梁外加预应力筋的加固效果良好,疲劳试验中加固梁刚度退化幅度、跨中挠度、梁内预应力筋应力、梁底及下翼缘混凝土应力显著比未加固梁的小;在33 t轴重列车与1.2倍中等荷载(ZH)轴重作用下,外加预应力筋加固的24 m超低高度预应力混凝土梁的适应性良好,预应力混凝土梁挠度与应力响应均符合规范要求。研究结果可为重载铁路桥梁的设计、养护、维护与加固提供基础与参考。

碳化与疲劳耦合作用下铁路桥梁的结构动力响应研究

为研究碳化与疲劳荷载耦合作用对既有铁路桥梁结构动力响应的影响,建立混凝土碳化与疲劳荷载耦合损伤模型;以朔黄铁路线上一典型预应力混凝土简支T梁为例,提出碳化与疲劳荷载耦合作用下主梁的碳化深度影响因素及随年限发展模型,并结合实测桥梁碳化数据,验证耦合损伤模型的准确性;利用有限元软件计算不同服役年限下既有铁路桥梁结构的动力响应,研究碳化与疲劳荷载耦合作用对既有铁路桥梁结构动力响应的影响。结果表明:提出的碳化与疲劳荷载耦合损伤模型计算结果与实测碳化深度吻合较好,表明耦合模型的可靠性。当桥梁服役年限为10年以内时,疲劳荷载对桥梁结构的碳化影响不大;随着服役年限的增长,疲劳荷载对桥梁结构碳化的影响越大;当服役年限为100年时碳化与荷载疲劳耦合作用下的碳化深度为仅碳化时的3倍。桥梁跨中截面竖向位移和动应变峰值随服役年限的增加而减少,加速度响应峰值随服役年限的增加有一定波动,整体趋势将减少。

大跨度铁路桥梁端位移精细化计算研究

为针对大跨度铁路桥选择合适的梁端伸缩装置,保障列车行车的安全性,提高桥梁的使用性能,依据多座大跨度桥梁端位移实测值演化规律以及结构计算,开展温度荷载、列车荷载、风荷载及风与温度荷载组合引起的梁端位移精细化计算研究。提出温度荷载的取值类型和取值范围;明确列车荷载引起梁端位移的计算工况和计算方法;确定桁式主梁风荷载摩擦系数取值和所引起梁端位移的计算工况;结合风荷载、风与温度荷载联合分布模型,提出风与温度荷载组合时风荷载的折减系数。以某斜拉桥为背景,对比本文方法和常规方法计算梁端位移的结果。结果表明:温度荷载引起梁端位移可仅考虑体系温度,体系降温工况各结构的温度按大气温度取值;体系升温工况索结构和一半主梁结构考虑热辐射效应,桥塔结构和另一半主梁结构按大气温度取值;应考虑阻尼器、支座等边界阻力效应,采用动力时程法计算列车荷载引起的梁端位移,计算值与实测值吻合良好;对于采用桁式主梁的桥梁,分别按风偏角45°、90°计算风荷载引起的梁端位移,取两者最不利值;计算风与温度荷载组合下梁端位移时,风荷载引起的梁端位移可相应折减;常规方法所得的梁端位移较为保守,梁端位移的精细化计算更有利于选择合适的梁端伸缩装置。

山区铁路桥梁与区域环境耦合协调测度及优化调控

山区铁路沿线地形复杂,桥梁占比高。为科学评估及优化山区铁路桥梁与区域环境协调状况,促进山区铁路桥梁与区域环境高质量协调发展,提出了一种山区铁路桥梁与区域环境耦合协调优化调控模型。在分析山区铁路桥梁与区域环境耦合作用的基础上,从设计视角构建山区铁路桥梁绿色设计要素及特征指标体系,并运用CRITIC法提取绿色设计关键要素;结合时间累积效应,以绿色设计关键要素为着手点,通过分析山区铁路桥梁可持续能力和环境承载水平,构建了山区铁路“桥梁-环境”复合系统耦合协调模型,对山区铁路桥梁与区域环境耦合协调程度进行测度,并以耦合协调指数最大化为目标函数建立反映“桥梁-环境”复合系统动态反馈机制的优化调控模型,运用粒子群优化算法求解,并提出了使山区铁路桥梁与区域环境向高质量协调发展的管控方案。优化结果表明,在保证“桥梁可持续能力≤环境承载水平”且获得偏离度最小的前提下,绿色设计关键要素优化比例分布于2%~40%,“桥梁-环境”耦合协调指数达到最大值622.4。该研究提高了桥梁与区域环境的协调发展水平,可为山区铁路桥梁与区域环境耦合协调状况评估及桥梁绿色设计提供新思路。

新型铁路桥梁自复位体系抗震性能研究

针对铁路桥梁震后损伤重、修复难的问题,提出了基于新型自复位减震装置的铁路桥梁自复位体系,并开展了抗震性能研究。提出了具有低损伤、变刚度等特点的新型自复位减震装置,阐明了装置工作机理,建立了滞回分析模型。提出了“活动型支座+新装置”的减隔震与复位系统,明确了装置布置与安装方案。随后基于非线性时程分析方法,对比了传统非减隔震桥梁与自复位桥梁的抗震性能。研究结果表明:所提出的自复位体系具有极佳的抗震性能和可恢复性能,相比于原型桥梁,最大位移可降低27%,残余位移基本消除,仅最大剪力有所增加。

上跨铁路桥梁转体结构施工技术分析

为分析上跨铁路桥梁转体结构施工技术,依托淮滨至信阳高速公路息县至邢集段上跨京广铁路转体桥的实际情况,分析了下转盘、球铰及上转盘施工和转体牵引系统等转体结构施工关键要点,并结合工程实际,从转体不能正常起动,转体过程中出现擦脚、加速及过转和牵引系统故障等方面提出施工中的问题及解决措施。转体结构施工难度比较大,经对上述要点严格把控,并解决好施工中的对应问题,在不影响既有铁路正常运行的基础上,实现上跨铁路桥梁转体结构施工的顺利完工,保证了桥梁的安全、质量,经济效益和社会效益显著,值得在施工中借鉴及推广。

温度荷载作用下的铁路桥梁纵断线型分析

大跨度铁路斜拉桥作为高次超静定结构,温度变化所产生的影响不容忽视,为研究温度变化对桥梁纵断线型的影响,本文以赣江特大桥为研究对象,结合该桥梁的有限元模型,分析了在桥梁整体升温(降温)、构件单独升温(降温)等温度荷载作用下,桥梁纵断线型的变化,并绘制了在各种温度荷载作用下桥梁纵断线型变化图。

铁路桥梁大节段预制胶接拼装简支箱梁施工

随着铁路交通的快速发展,桥梁建设面临着工期缩短、成本控制和质量提升的需求。大节段预制胶接拼装技术作为一种创新方法,通过预制箱梁的大节段装配和胶接方式,有效地提升了施工效率和桥梁质量。本文详细介绍了该技术在某铁路特大桥项目中的应用,包括节段梁的设计、预制、悬挂施工、定位及拼装等关键技术环节。实践证明,采用此技术能显著减少现场作业量,缩短工期,并通过精确的施工控制提高结构的耐久性和安全性。本文旨在通过详细阐述大节段预制胶接拼装简支箱梁的设计与施工过程,为铁路桥梁建设提供创新方法与实践案例,以供业界参考和借鉴。

常益长铁路桥梁总体设计

常益长铁路为国内八纵八横干线铁路之一,设计时速350km/h,无砟轨道,全线设常德站、汉寿站、益阳南站、宁乡西站、长沙西站5座车站。常益长铁路多次跨越既有铁路、高速公路、河道等,特殊结构较多,结构复杂,桥梁占线路长度86.77%。常益长铁路穿越洞庭湖冲积平原,沿线较多软土层、细圆砾土层,对桥梁沉降要求较高。文章介绍了该项目桥梁总体设计、设计内容、设计原则、技术特点、大跨结构方案及重点桥梁设计概况。文中研究为其它高速铁路设计积累了工程实践经验,可为类似铁路设计提供参考。

复杂地质条件下铁路桥梁桩基通用计算方法

为保障复杂地质环境中铁路桥梁桩基础的结构安全,进一步提升设计质量,提出一种通用的复杂特殊地质条件下桩基计算方法。选择静水、负摩阻力、膨胀土和地震液化土作为4种基本特殊地质,以桥梁桩基设计规范中的m法和单桩承载力计算式为基础,提出它们各自分别作用时的计算方法和综合作用时的耦合效应算法。结果表明:季节冻结深度线、多年冻土上限深度线、中性点深度线和急剧层深度线可作为冰、液态水、冻土、负摩阻力、膨胀土的分界线;该方法在规范基础上增加的计算步骤、计算参数和外载增量可以移植到桩基通用设计程序中,并适用于任意复杂特殊地质条件计算,可为实现该条件下铁路桥梁桩基安全、高效、精细化的计算提供支持。研究成果应用于铁路桥梁设计中,节省桩长约5%、桩身配筋约4%。

基于改进拉丁超立方抽样的高墩铁路桥梁地震可靠度分析方法

为高效准确地量化非线性结构的关键地震响应极值分布以及构件失效概率,在考虑结构和地震双重不确定的前提下发展一种有效的结构动力可靠度评估框架。首先详细阐述和发展了地震可靠度分析的理论方法,主要包括非平稳地震动的降维模拟,分数矩的单循环最大熵理论,以及与中心L2偏差相结合的拉丁超立方抽样方法三部分。然后通过一个三层非线性混凝土框架结构对所提出的方法进行初步验证。最后将提出的可靠度分析方法运用于西部山区某高墩大跨铁路刚构桥,开展高墩大跨刚构桥关键构件的地震可靠度分析,并与蒙特卡洛模拟结果进行对比,进一步验证该方法的高效性与适用性,为山区高墩大跨铁路桥梁抗震设防提供技术支撑。

大跨度铁路桥梁线-桥垂向变形映射模型

以大跨度铁路桥梁线-桥系统为研究对象,通过推导理论公式建立桥梁与有砟轨道的垂向变形映射模型,并通过算例对变形映射模型的正确性进行验证。结果表明:将大跨度桥梁线-桥系统划分为桥梁,有砟道床和轨枕,扣件和钢轨三个子系统开展垂向变形映射关系研究是可行的;通过线-桥垂向变形映射模型计算大跨度悬索桥、斜拉桥的钢轨垂向变形与有限元仿真结果一致,证明了本文提出的映射模型是正确的;通过线-桥垂向映射模型计算钢轨变形,可以避免在有限元模型中建立轨道结构,从而减少模型单元数量,提高计算效率。

基于行车平稳性的大跨度铁路桥梁成桥线形评价方法研究

超大跨度铁路桥梁成桥线形较设计线形易出现较大偏差,导致原轨面设计线形无法实现,通常需基于成桥线形变更轨面线形设计。为保障铺出的轨面线形满足行车性能的要求,在铺轨前合理评价大跨度铁路桥梁成桥线形尤为重要。基于实测成桥线形的特征分析,结合桥上有砟道床的可调整能力,提出一种基于行车平稳性的大跨度铁路桥梁成桥线形评价方法,并将车体敏感波长范围的成桥线形幅值作为评价指标。以线路随机不平顺、桥梁受载附加变形及轨面线形引起的车体垂向加速度不超Ⅰ级管理标准为评价原则,确定车体敏感波长范围轨面线形的加速度容许值;研究车体加速度与弦测幅值、弦测幅值与线形幅值的相关性,确定车体敏感波长范围轨面线形的幅值限值;通过推导车体敏感波长范围轨面线形和成桥线形的幅值对应关系,最终制定评价指标限值。结合国内某千米级悬索桥的工程实例,确定评价指标限值为58 mm,该桥车体敏感波长范围实测成桥线形幅值最大值为36 mm,未超限值,表明成桥线形控制效果良好,在满足桥上道床厚度要求的前提下,基于成桥线形能够铺出满足行车平稳性的轨面线形。

基于性能的铁路桥墩地震损伤量化指标研究

为研究铁路桥墩的地震损伤量化方法,建立OpenSees有限元模型并通过6组拟静力试验数据验证其准确性,同时对7种桥墩构造参数组成的样本空间进行拉丁超立方采样,进行339组桥墩的拟静力数值计算,分析不同损伤阶段的位移延性比分布特征,制定基于性能的多级延性损伤指标,并通过对一座混合梁桥的地震分析结果验证该指标的普适性。研究表明:339组桥墩的位移延性比呈现较强的规律性,主要分布于0.41、1.00、1.58、2.20处,因此可采用位移延性比0.41、1.00、1.58、2.20分别作为铁路矩形桥墩无、轻微、中度、严重和完全损伤状态的临界值。基于性能的延性损伤指标简易直观,可为抗震设计与震损评估工作提供理论依据及参考。

基于易损性的铁路桥梁通行功能评估研究

为对铁路桥梁震后状况进行合理评估,基于易损性构建了一套铁路桥梁震后通行能力评估方法,以国内常见铁路桥梁为参考,使用OpenSees建立了20座不同构造参数的4跨简支梁桥全桥有限元模型,基于耐震时程地震分析进行易损性与通行功能的评估,厘清了影响铁路桥梁地震损伤与通行能力的主要因素。研究表明:纵筋配筋率和剪跨比是影响铁路桥梁地震损伤的核心因素,轴压比是影响铁路桥梁地震损伤的主要因素,体积配箍率是影响铁路桥梁地震损伤的次要因素,为控制桥梁地震损伤,可以提高纵筋配筋率,降低剪跨比;配筋率增加通行能力会明显提升,剪跨比增加通行能力明显下降,配箍率和轴压比增加通行能力会小幅提升;纵筋配筋率与剪跨比是影响桥梁通行能力的主要因素,体积配箍率与轴压比是影响桥梁通行能力的次要因素,为保证通行能力最优,应适当提高纵筋配筋率或减小桥墩剪跨比,也可适当提高体积配箍率与轴压比。本研究提出的通行能力评估方法可以较好地评估桥梁结构通行功能,用于震后评估工作。

洪水作用下高速铁路桥梁动力响应研究

为研究洪水作用对高速铁路桥梁结构动力响应的影响,以两跨不等墩高32 m高速铁路简支梁桥为研究对象,建立洪水作用下桥梁下部结构三维水动力分析模型和桥梁有限元模型,获得桥梁下部结构周围流场分布规律与流水压力荷载,探讨了洪水流速、高度和基础冲刷深度的变化对桥梁动力响应和桩基内力的影响规律。研究表明:(1)不同流速的洪水作用于桥梁下部结构时,周围流场的分布规律总体基本一致;(2)当洪水流速大于3 m/s时,下部结构所受的流水压力对桥梁结构的影响不可忽视,且该压力与洪水作用速度及高度呈正相关;(3)基础冲刷深度对下部结构受到的流水压力影响显著,但当承台裸露后,再增大基础冲刷深度时,流水压力增大不明显;(4)桥梁受到洪水冲击时,桥梁的动力响应随时间变化的总体规律基本一致,其响应具体表现为,墩顶横向加速度在冲击时间1.06 s时达到峰值,墩顶横向位移在冲击时间1.16 s时达到峰值,二者达到峰值后呈周期式迅速衰减,墩顶位移、加速度的峰值和最后稳定值以及桩基弯矩均随着洪水流速、高度的增加而增大;(5)随着基础冲刷深度的增加,桥梁动力响应和桩基弯矩均呈增大趋势,但桩基下部负弯矩区受基础冲刷深度影响更敏感。